Reacciones de eliminación

E
Reacciones de eliminación
Generalidades:
- Sustratos
Halogenuros R-X
Alcoholes R-OH y
sus ésteres R-OSO2R’
+
+
Otros ( R-NR3, R-SR2 ) – sales “onios”
amonio
- Reactivos
- Disolventes
Bases - aniones:
sulfonio
RO-
Disolventes próticos (ROH)
Disolventes apróticos
E
Reacciones de eliminación
Tipos de eliminaciones:
Gsal
G’sal
Producto de
partida
Producto final
α – Eliminación (Eliminación 1,1)
β – Eliminación (Eliminación 1,2)
γ – Eliminación (Eliminación 1,3)
Etc..
E
Tipos de eliminaciones:
α Gsal
α-Eliminación
Gsal
β
α
Gsal
β-Eliminación
α
γ-Eliminación
Gsal
β
γ
Gsal
Gsal
Ejemplos…
E
β-Eliminación (Eliminación 1,2)
MB., p. 261-265
Sykes (1985), p. 242-244
R-Gsal
2
1
R Cβ Cα Gsal
H
R C C Gsal
H
+
:-B
G sal : X-, OH,
OSO2R, +NR3,
+SR , SO R
2
2
R
(Preparación de los alquenos)
Reacciones de eliminación-1,2 se caracterizan
1. El sustrato tiene un Gsal y, a la vez, debe
contener otro Gsal (casi siempre es hidrógeno)
2. La realización de esta reacción requiere una base
Problema: la posibilidad de competencia entre SN y E
E
Reacciones de eliminación 1,2
Criterios del mecanismo:
1. Cinética del proceso
2. Reactividad relativa del sustrato
3. Presencia del intermediario
4. Estereoquímica del proceso
5. Influencia del disolvente
Trabajos de Ingold y Hughes (~1930)
halogenuros como sustratos
V= k [R-Gsal][B]
V= k [R-Gsal]
Dos casos generales según los datos cinéticos
Eliminación
bimolecular- E2
Eliminación
monomolecular- E1
( unimolecular)
E2
Mecanismo E2
La reacción implica un solo paso (concertado):
La base arranca un protón beta; de modo simultáneo
se aleja un Gsal y se forma el enlace doble
RC C
R C C Gsal
H
R
Gsal
B H
:-B
Ruptura C-H y C-Gsal simultánea
Ejemplos clásicos:
NaOH
CH3CH2CH2CH2
Cl
∆
NaOH
CH3CH2
CH CH3
Cl
∆
CH3CH2
CH3
CH CH2
CH CH CH3
E2
Factores estructurales de los
reactantes en la eliminación concertada
ü
Naturaleza del Gsal
R-CH(R1)C(R2)(R3)Gsal
Deshidrohalogenación Ph CH2 CH2 X
EtO-
Ph CH CH
EtOH
“Efecto de elemento”
Ph CH2 CH2 F Ph CH2 CH2 Cl
K rel
1
70
Ph CH2 CH2 Br
Ph CH2 CH2
4.2 x 103
Fuerza del enlace C-X
I
2.7 x 104
(Como en SN2 y SN1)
üNaturaleza del esqueleto carbonado
3o>2o>1o
(Orden está como en SN1, y depende de la estabilización del ET)
üFuerza de la base
N
-NH2 > -OR> -OH
N
DBN
üNaturaleza del disolvente
KOH / EtOH
N
DBU
N
E2
Análisis del ET en E2
Reacción de deshidrohalogenación
R C C Gsal
Gsal = halógeno
H
Gsal
R C C
B H
R
ET
:-B
R C C
δB H
δGsal
Los enlaces del hidrógeno y del Gsal están parcialmente rotos,
mientras que el doble enlace está parcialmente formado.
ET adquiere un carácter de alqueno. GDE estabilizan el alqueno
incipiente en el ET y diminuye la Eact , por ende, el alqueno se
genera más velozmente.
Estabilidad de alquenos
Facilidad de formación de alquenos
E
Estabilidad de alquenos
Alqueno más sustituido es más estable
R
H
H
H
R
H
R
H
R
1,1-
R
cis
H 1,2-
H
R
H
Sustitución
está aumentando
Energía está
bajando
trans
H 1,2R
R
R
R
H
R
R
R
R
E2
E2 – proceso concertado en grafica:
H
H
H
Cl
CH3
CH3
H
H
CH3
CH3
El Gsal abandona la molécula como anion; el H beta es quitado por
la base (HO-) como protón de modo que debe abandonar su par
electrónico; Este par queda disponible para formar la segunda
unión.
E2
Una prueba mas…
MB, p. 269
Pero convincente
H
Ph C CH2 Br
H
D
Ph C CH2 Br
D
EtO-
k1
k 1 / k2 = 7
EtO-
k2
Efectos isotópicos primarios de H
E
E2
Efectos isotópicos primarios de H
en graficas..
Aquí el enlace se rompe
Energía de disociación
del enlace (C-D > C-H)
C-H
C-D
r (distancia del enlace)
C-H
C-D
E2
E2 tiene las siguientes características:
R C C Gsal
H
RC C
Gsal
R
BH
:-B
§ sigue una cinética de segundo orden;
§ no va acompañada de transposiciones;
§ presenta un efecto isotópico de protón;
§ presenta un efecto elemento grande
E1
Mecanismo unimolecular
(de dos pasos)
La ruptura C-H y C-Gsal
por separado
Dos posibilidades:
A
En primer lugar se rompe el enlace C-Gsal,
se forman carbocationes
E1
MB, p. 280
R C C :Gsal
H
lento
R .C. C+
H
+
-Gsal
:-B
V= k [R-Gsal]
R C C
+ HB
B
En primer lugar se rompe el enlace C-H,
se forman carbaniones
MB, p. 278
R C C Gsal
H
V= k [R-Gsal][B]
:-B
R C C :Gsal
-
lento
-Gsal
R C C
+ HB
E1cB
E1
Mecanismo E1
M.B., p. 267-268
Dos pasos:
Sykes (1985), p. 244-246
1. Heterólisis (formación del carbocation)
2. Pérdida de un protón del catión formado (generación del alqueno)
P
E
ET2
ET1
C+
S
Carbocatión puede:
• combinarse con los Nu
• transponerse a un carbocatión
más estable
Reactividad relativa del sustrato
R-CH(R1)C(R2)(R3)Gsal
Naturaleza del Gsal (actúa como en SN1)
Naturaleza del esqueleto carbonado
3o>2o>1o
(actúa como en SN1)
E1
Análisis de la reactividad de
sustratos en E1
R C C :Gsal
H
“Sol”- disolvente
“Sol”
R .C. C+
H
+
-Gsal
:-B
R C C
+ HB
La heterólisis es un paso lento y es el que
determina la velocidad de eliminación
La reactividad en E1, como en SN1 se determina
por la velocidad de formación del carbocatión
(3o>2o>1o)
Donde la estructura lo permite, esta reacción E1
va acompañada de transposiciones.
MB, p. 280
Un caso particular es la deshidratación de alcoholes
E1
Segundo paso del mecanismo E1, Pérdida de un protón del catión formado (generación del alqueno)
en graficas
sp3
sp2
H3C +
CH3
H3C
H3C
Cl
CH3OH
H
H
H
H
H
H
H3C
- CH3O+H2
CH3
H
H
E1cB
Mecanismo E1cB
Sykes (1985), p. 246-247
Dos pasos:
1. Equilibrio (formación del carbanión)
ácido
base
(base conjugado)
(carboácido)
2. Salida de un Gsal del anión formado ( generación del alqueno)
E
ET2
ET1
Intermediario
-C
S
P
χ
Sustratos “raros”
GE A CH C H2 Gsal
H
GEA: NO2, ArSO2, CN, COOR, X
Gsal: OPh, F, CN, S+Me2 (“pobres”)
E
Diagrama de More O’Ferrell-Jencks
Carroll, p. 647
Correlación entre los mecanismos
E1cB .......... E2.............. E1
P
Carbanión
-:C – C – G
Alqueno
E1cB
sal
E2
E1
C C Gsal
H
S
Carbocatión
H – C – C+
Sustrato
inicial
Los tres mecanismos son bastante parecidos entre sí:
el Gsal se aleja con su par de electrones y el otro
grupo (casi siempre, el hidrógeno) sale sin electrones
(como un protón). La única diferencia está en el orden
de los pasos.
E2
Estereoquímica: eliminación E2
(Saber las proyecciones de
Fischer y de Newman, formas de
caballete)
El rol de los ángulos dihedrales
MB, p. 77-87
β
β
β
180 o
~60 o
~120 o
E2 (“de una etapa”)
ET
Para que se forme doble enlace, todos
átomos que están participando
(incluyendo la base) deben estar
en el mismo plano.
?
β
~0 o
Alqueno
E2
Eliminación E2 son reacciones
estereoespesíficas
MB, p. 144
Sykes (1985), p. 249-252.
Puede producirse de dos formas:
Anti-periplanar
Sin-periplanar
Conformación
retorcida
Anti-eliminación
Conformación
eclipsada
Sin-eliminación
Las dos eliminaciones tienen lugar. Sin embargo, en ausencia de los
efectos especiales de la estructura de sustrato, la anti-eliminación es
preferible.
Ejemplos
en las cadenas acíclicas
en los sistemas ciclohexánicos
en los sistemas bicíclicos
E2
Reacciones estereoespesíficas en E2
Experimento de Pfeiffer, 1904:
Ph
CH3
Eritro-
S S
CH3
Ph
CH3
C C H
H Br
C C
E-
CH3
H
CH3
CH3
Rotación
H
CH3
CH3 C C H
Ph
Br
NaOMe
C C
MeOH
Ph
H
Z-
Explicaciones..
¿Treo-?
CH3
CH3
+
CH3
Br
Producto
mayoritario
Producto
minoritario
Porqué?
E
Orientación en las eliminaciones(formación de las olefinas-regioisómeros)
Sustratos que poseen un H
en posiciones beta
Regla de Zaytzeff
Grupos neutros
Gsal
R C CH C R1
Hβ’
Hβ
Zaytzeff (Zaitsev)
Es aplicada para E2 y E1
-:B
E2 : ejemplos de Zaytseff (1875, trabajaba con los bromuros de alquilo)
Br
CH3
KOH(alc) CH3
CH2 CH CH3
CH
CH CH3
81%
CH3
+
CH2 CH CH3
19%
Br
CH3
CH2
CH2 CH CH3
KOH(alc)
CH3
CH CH CH3
CH2
71%
CH3
CH2 C
CH2 CH CH3
29%
CH3
Br
CH3
CH2
CH3
KOH(alc) CH3
CH
71%
CH3
C
CH3
CH3
+
+ CH3
CH2 C CH2
29%
En la deshidrohalogenación, cuanto más estable es un alqueno,
más velozmente se generará.
E1 : ejemplos de Zaytseff
CH3
CH2
CH2 CH
OTs
CH3
BuOH CH3
CH2
89%
CH
CH
CH3
CH3 +
CH2
CH2 CH
11%
CH3
E2
Orientación en las eliminaciones E2:
Regla de Hofmann
MB, p. 943>
Grupos con la
carga positiva
Gsal
R C C H C R1
Hβ’
Hβ
(1851, trabajaba con las sales
de amonio)
N+(CH3)3
H
H
-:B
EtONa
+
Et O H
97.6%
2.4%
S+(CH3)2
H
H
EtONa
EtOH
+
74%
26%
Se forman alquenos menos
sustituidos
E2
Dos modelos para explicar la regla
de Hofmann
Carroll, p. 669
Modelo inductivo
N+(CH3)3
GAE
Protones β más ácidos
Protones β menos ácidos
Modelo estéreo
H
H
H
H
H
H
H H
H
Protones β más accesible
estereoquimicamente
N+
H
H
H
H
H HH
Protones β menos accesible
estereoquimicamente
¡Ambos modelos son aceptables!
H
Anti-Eliminación en los modelos
de Hofmann
H
H3C C CH2CH3
+
- N (CH3)3
∆
E2
Carey, p. 817-819
Alquenos menos
sustituido
Alquenos más
sustituido
H2C C CH2CH3 +
H
H3 C C C
H H
95%
HO
Conformaciones
CH3
5%
Cis o trans?
Anti
(menos impedida)
Anti
(más impedida)
Alquenos menos
sustituido
Trans-alquenos más
sustituido
E2
Orientación en las eliminaciones E2:
Sykes (1985), p. 252
regla de Zaytzeff versus regla de Hofmann
CH3
H
CH
H
CH CH2
Gsal
-OEt
CH3 CH2 CH CH2
CH3 CH CH CH3
Gsal
Br
S+Me2
N+Me3
19%
74%
95%
81%
26%
5%
“Estado de transición E2 variable”
(Bunnett)
(Ejemplos en los sistemas cíclicos)
ejemplo
E
Regla de Bredt
¿De qué se trata?
En los compuestos biciclícos de tamaño pequeño,
los enlaces dobles no se forma sobre el carbono
cabeza en puente.
Br
:B
Br
??
:B
Explicación:
π orbitales no pueden llegarse
ser co-planares
Z
Y
Y
X
E
Eliminación: E2 versus E1
MB, p. 283
Efecto de la naturaleza del esqueleto carbonado
Al proceder a lo largo de la secuencia
1o, 2o, 3o aumenta la reactividad en ambos
mecanismos.
PERO por razones diferentes!
En E2 porque se forman los alquenos más ramificadas,
los más estables.
En E1 por que se forman los carbocationes (los más
estables) en el paso determinante de la velocidad.
Efecto del reactivo (base)
En E2 [base] entra en la cinética.
Hay que contar con la naturaleza de la base!
Una base más fuerte extrae más rápidamente un protón.
En E1 [base] no entra en la cinética.
La base espera hasta que se haya formado el
carbocatión.
Para un sustrato determinado, cuanto mayor sea
la concentración o la fuerza de una base, más se favorece
E2 sobre E1.
Efecto del disolvente
Con el aumento de la polaridad del disolvente.
Mecanismos E1 y E1cB serán más probales.
E
Eliminación frente a Sustitución
Sykes, (1985), p. 256-258
Gsal
C
C
H
E2 Contra SN2
:Z = Nu o B
:Z
Efecto de la naturaleza del esqueleto carbonado
E2
R-Gsal: 1o 2o 3o
+
C
C
H
SN2
E1 Contra SN1
:Z
Efecto de la naturaleza del esqueleto carbonado
E1
R+: 1o 2o 3o
Otros efectos
SN1
La concentración alta de base fuerte favorece más a E2 que SN2;
la concentración baja de base ( o en su ausencia) favorece más a SN1 que E1;
El aumento de la polaridad del disolvente favorece a SN2 a expensas de E2;
El aumento de la temperatura favorece más a E2 (E1) que SN2 (SN1)..
E
Eliminación frente a Sustitución
Un detalle.. en graficas
Carey, p. 295